本文設(shè)想并試驗了一個實時設(shè)備電路的模擬系統(tǒng)，以模擬對多艘無人船舶的編隊控制過程。該控制器可以通過對電壓信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換模擬電機控制信號的傳輸和獲取，以及可以通過對串行接口模擬計量儀表的傳輸和數(shù)據(jù)獲取。將無人駕駛的船舶控制器建立在PC104平臺上，并采用了基于VxWorks的實時控制軟件;又利用了工業(yè)計算器和VC++在6.0環(huán)境建立了無人值守的船舶仿真中心，并實現(xiàn)了對無人值守船舶仿真過程數(shù)據(jù)的圖形化顯示。最后，通過模擬實驗證明，該軟件能夠良好地模擬多艘無人駕駛飛行器的編組狀況，在驗證編隊算法和測試無人船嵌入式控制軟件等方面，都具有重要的實用性。

目前，無人船編隊體系的大致發(fā)展階段為控制系統(tǒng)方案設(shè)計、控制器設(shè)計、控制算法實現(xiàn)和實驗驗證階段。在實驗出現(xiàn)問題之后，就有必要返回控制器設(shè)計鏈接并進行重新設(shè)計。但是，由于無人駕駛的船舶編隊測試成本高昂，而且受各種原因影響，在研發(fā)初期，編隊控制系統(tǒng)的設(shè)計無法用實際編隊測試進行分析和測試。所以，為了對在研制的早期階段系統(tǒng)進行檢驗和校準(zhǔn)，就有必要設(shè)計更便于在實驗室進行的設(shè)備在環(huán)仿真控制系統(tǒng)，通過設(shè)備在環(huán)境模擬的物理實驗。同時，在MATLAB中對編隊算法進行模擬后，可以忽略模型間數(shù)據(jù)的延遲和精度損失，這種問題很可能會使得實際系統(tǒng)中的編隊計算存在差異。而環(huán)路模擬硬件則能夠取代這種問題，從而更加高效地進行計算實驗。所以，無人船編隊回路模擬裝置對于驗證控制系統(tǒng)設(shè)計和編隊計算有關(guān)鍵意義。

一、無人船系統(tǒng)總體方案設(shè)計

（一）系統(tǒng)操作

目標(biāo)要求，無人駕駛技術(shù)船舶與水質(zhì)檢測等方面的技術(shù)聯(lián)合可以大大提高水質(zhì)檢測工作的有效性。目前，由于中國對無人駕駛船編隊技術(shù)的研制投資較少，面臨著編隊制導(dǎo)算法難以實現(xiàn)、定位精度降低、不利于編隊穩(wěn)定性等問題[1]。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)想一個無人編隊系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合下列條件。為了滿足低噸位、裝卸方便的要求，必須設(shè)計小型、輕型無人駕駛船舶。實時執(zhí)行任務(wù)。在飛行與編隊的控制階段，無人值守艦船須同時負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)讀取、位置統(tǒng)計、位置管理、命令分析等任務(wù)[2]。對它們系統(tǒng)的即時性能也有高度的要求，還必須負責(zé)任務(wù)之間的統(tǒng)一調(diào)度工作，以中斷因任務(wù)沖突而產(chǎn)生的任務(wù)。該系統(tǒng)利用無線模塊與地上站點連接，利用地上站點顯示航行數(shù)據(jù)并提供無人船編隊指示，從而完成航跡設(shè)計功能。

（二）控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

該控制系統(tǒng)主要由無人駕駛航空器編隊、互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)和地上站點三個部分構(gòu)成，以地上站點為主要的監(jiān)控單位。數(shù)艘無人值守船舶可以下載收集的數(shù)據(jù)，并在船站收到指令。余艘無人值守船舶之間的消息則經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳遞?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.無人駕駛的船舶主要由船體、船舶控制系統(tǒng)和供電構(gòu)成。船舶還設(shè)有控制系統(tǒng)和供電。而無人船編隊平臺的船舶控制系統(tǒng)則包括定位、位置檢測、電源和無線通信等模塊，能即時接收無人駕駛的定位、航向、轉(zhuǎn)速和功率。船舶控制系統(tǒng)還能夠?qū)?shù)據(jù)到地上站點或在地面站顯示，接收并分析地上站點所發(fā)出的數(shù)據(jù)和命令，從而有效監(jiān)控?zé)o人值守艦船的運動[3]。

2.網(wǎng)絡(luò)通信是連接多艘無人駕駛船舶和地面站的關(guān)鍵。

3.一些地上站點甚至是沿海站，主要通過聯(lián)系無人值守艦船實現(xiàn)人機交互、全通信和數(shù)據(jù)傳輸。

（三）關(guān)鍵技術(shù)的選擇

在對多艘無人船編隊的監(jiān)控研究中，需要先明確其結(jié)構(gòu)，以及無人船之間的監(jiān)控與通信模型，充分發(fā)揮其優(yōu)越性[4]。該結(jié)構(gòu)確定了無人值守艦艇實施任務(wù)的邏輯關(guān)系，確定了任務(wù)分配與問題解決的方法，還與系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件與硬件選擇相關(guān)。集中性通常意味著每個無人值守艦艇都會聽到特定核機器人的指令，以及由核機器人負責(zé)接受到的信號。核機器人主要采集編隊中每個無人值守艦船的數(shù)據(jù)，利用高度算法得出各個無人值守艦船的預(yù)期方位和運動，以獲得編隊效果[5]。目前，它是一個比較成熟而容易實施的編隊展示方式，主要適用于無人駕駛船舶的編隊展示活動。在分布式系統(tǒng)中，每艘無人駕駛船都擁有相同的能力，可相互交換信息，并擁有決策與評價的能力。而分散結(jié)構(gòu)的信息交換范圍較小，對每個人來說都是一個單獨的信息系統(tǒng)，因此一只無人值守艦艇的損壞并不能影響整個運行。顧名思義，雜交技術(shù)就是對上述二個結(jié)構(gòu)的綜合，以及對這二個結(jié)構(gòu)結(jié)合的共同特征。他將整個系統(tǒng)分為若干小組，再匯集為一個小組。

（四）總體技術(shù)路線

通過對無人裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的選擇，確定了圖2所述的一般技術(shù)路線，并提供了主要系統(tǒng)算法組成部分。

二、無人船硬件設(shè)計

（一）仿真模擬

仿真應(yīng)滿足執(zhí)行船體狀態(tài)、串行端口數(shù)據(jù)傳遞和模擬電壓讀數(shù)等三種功能。為此，設(shè)計的仿真系統(tǒng)由一套裝有三個標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行端口和PCI擴展A/D和D/D擴展板的工業(yè)計算機系統(tǒng)實現(xiàn)[6]。這里選用的9112擴展板，共包含16個A/D通道，能夠滿足用戶的需要。控制節(jié)點根據(jù)需要進行電子傳感器數(shù)據(jù)接受、無線通信數(shù)據(jù)接受與傳送、電機電壓傳輸?shù)裙δ?。其中，?shù)據(jù)的接受與傳送均以串行端口方式執(zhí)行，電壓則以模擬電流信號的形式傳遞。所以，控制器節(jié)點的設(shè)計均采用了內(nèi)置PC一百零四控制平臺，并設(shè)有二個RS-232串口和二個A/D出口通道。

（二）遠程控制中心

遠程控制中心應(yīng)執(zhí)行接受和傳送無線通信數(shù)據(jù)的功能，其數(shù)據(jù)的接受與傳送均采用串聯(lián)型接口實現(xiàn)。為此，遠程控制中心的設(shè)備設(shè)計使用了標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦，并選擇了USB-RS-232串行型接口[7]。模擬中心與測控節(jié)點之間有二種連接，它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)串口和二個D/A和A/D通道。其中，標(biāo)準(zhǔn)串口完成了對傳感器數(shù)據(jù)的模擬，而二個D/A和A/D通道則完成了對二臺電機控制電壓傳輸?shù)哪M。而測控船與遠程中心之間有一種無線通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一種無線模塊組成，以進行信號交流，該通信接口也可簡化，并從邏輯上可以理解為串行通信。

Simulation Center軟件是VC++6.0編制的MFC編程，包含了串口控制器、Pci9112擴展卡控制器，以及曲線繪制組件[8]。閉環(huán)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求仿真控制系統(tǒng)實時接受控制節(jié)點的輸入信息并形成實時動態(tài)輸出，高實時性能夠提高零點五實物模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確度。該軟件通過多媒體定時器技術(shù)來實現(xiàn)模型迭代的實際性能，定時精確度約為一毫秒。而基于經(jīng)驗，對無人駕駛船舶模型的仿真階段約為10毫秒。使用Visualc++WM對傳感器進行了調(diào)度，以及定時器消息映射的實現(xiàn)。并通過基于對象的軟件設(shè)計方法來仿真無人值守的船舶，設(shè)計類別cautausv補充了對無人值守船舶的內(nèi)部運動學(xué)模擬，提供了與無人值守的船舶內(nèi)部運行空間密切相關(guān)的所有參數(shù)，并將其封裝到該類別中用作私有輸出。通過采用這種方法，將無人值守船舶的內(nèi)部運動空間完全利用這種內(nèi)部動作完成。同時通過對無人值守船舶特性的解析，需要一個功能來實現(xiàn)無人駕駛船舶狀態(tài)的實時重復(fù)，以解決下一時刻船舶的狀況，并規(guī)劃一個功能cautausv：：onestepo來實現(xiàn)船舶狀態(tài)的重復(fù)，它不僅能及時模擬船舶的運動。還需要設(shè)計函數(shù)cautausv：：getstateso來實現(xiàn)無人駕駛船舶狀態(tài)的輸出，與使用傳感器測量船舶狀態(tài)相對應(yīng)。還必須設(shè)計cautausv功能：一個用于外部控制設(shè)備的控制功能，對應(yīng)于影響船舶狀況的螺旋槳運動。無人造船系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括以下幾點。

1.UC/OS-II操作系統(tǒng)的傳輸和任務(wù)分配

執(zhí)行編隊任務(wù)時，處理STM32任務(wù)和計算數(shù)據(jù)的要求很高。UC/OS-II操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)共享和調(diào)度，如讀取數(shù)據(jù)、計算姿態(tài)和接收無人駕駛船只的命令，以確保任務(wù)的實時完成。

2.無人造船控制系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

包括位置數(shù)據(jù)融合、導(dǎo)航控制和編隊控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。

3.通信編程

無人駕駛船舶通過Wi-Fi連接到地面站進行數(shù)據(jù)傳輸。模擬軟件模擬的傳感器輸出格式如圖4所示。

（一）構(gòu)建系統(tǒng)

根據(jù)上述章節(jié)所述無人造船系統(tǒng)的設(shè)計，本章將對三艘小船進行測試，并通過表面物理測試驗證監(jiān)控系統(tǒng)形成的可行性。驗證監(jiān)測多艘無人船編隊的有效性和穩(wěn)定性。從編隊算法、船體結(jié)構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計到地面站系統(tǒng)的實施，圖5所示無人編隊控制系統(tǒng)的原型開發(fā)已經(jīng)完成。圖（a）是內(nèi)部硬件連接圖，圖（b）實際上是完成的三艘無人駕駛船只。原型平臺搭建完成后，首先測試內(nèi)部控制面板，確保其正常運行。然后用遙控器檢查無人駕駛船舶的葉片是否正常旋轉(zhuǎn)。與地面站系統(tǒng)一起，三艘無人駕駛船舶通過TCP/IP協(xié)議連接到地面站，以測試連接是否成功。試驗在實驗室進行，電機通過遠程控制和地面站可以正常運行;GPS內(nèi)部信號弱，難以在地圖上顯示，地面站連接正常。

（二）實驗分析

控制平臺完成后，發(fā)射測試將測試一艘無人駕駛船舶的導(dǎo)航功能和多艘無人駕駛船舶的編隊功能。試驗場地位于實驗室后面的河流，相對平靜，沒有障礙物。測試的第一步是確定地面站每艘無人船的目標(biāo)點，并觀察無人船是否到達指定位置。其次，將數(shù)據(jù)作為編隊的導(dǎo)航路線發(fā)送給飛行中的無人船，并觀察多艘無人船的編隊。最后，應(yīng)測試無人駕駛船舶信號的接收能力和耐久性。無人駕駛船舶接收信號的最大距離為100米，連續(xù)航行15分鐘后可返回初始位置，滿足試驗要求。

隨著水資源保護的重要性越來越顯著，與多艘無人駕駛船舶合作的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)也將受到更多關(guān)注。作為水質(zhì)協(xié)同監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，多艘無人船編隊技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。本文根據(jù)國內(nèi)外無人船編隊的研究現(xiàn)狀，定義了無人船編隊系統(tǒng)的具體要求和系統(tǒng)體系，開發(fā)了無人船編隊監(jiān)控系統(tǒng)。通過編隊控制器進行編隊控制，并通過EKF過濾技術(shù)提高無人駕駛船舶的定位精度，以確保編隊過程中的編隊穩(wěn)定性。

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作者簡介：楊曉昆，男，遼寧葫蘆島人，漢，1983.12，大學(xué)本科，研究方向：從事無人船舶、編隊控制。